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鋼絲螺套用于提高鋁材螺紋聯接強度的試驗研究
2022-12-06
0 前言
在軍工、航天和現代通訊的一些精密設備中，需要降低設備的質量，同時又要保證散熱性能，設計人員在結構設計中通常會采用鋁材來替代黑色金屬，但是鋁材在使用過程中也有很多不足之處，它的強度和鋼材相比較低，螺紋連接強度不足影響了它的正常使用。由于鋁材較軟，在一些需要反復拆裝的部位中，螺牙很容易損壞，有時候會造成整個設備不能再次使用。所以，解決鋁材螺紋連接的強度不足是一個重要的問題。采用熱處理加工或者加入合金元素提高鋁材強度是一個好方法，但對于某些強度等級比較高的螺紋連接所需要的強度還是不足。
鋼絲螺套用高精度、高強度、表面光潔的菱形不銹鋼絲精確成形而成，為高精度的內外螺紋同心體。鋼絲螺套是提高鋁材螺紋連接強度的一種非常好的方法。在安裝完成后可以形成滿足相關精度要求的內螺紋并提高力學性能。過去鋼絲螺套主要應用于軍事和航天領域，目前在一些民用產品方面，應用也非常廣泛。如某型號APPle筆記本的顯示屏鎂合金支架由于需要承受很多次數的開合，顯示屏和底座結合處的螺絲會松動，安裝鋼絲螺套可以提高內螺紋強度，受力均勻，抗破壞扭矩大大提高，增加了使用壽命；在通用電氣LED燈泡的鋁鑄件燈座上，由于需要承受一定的高溫并且要防松，安裝熱穩定性好的鋼絲螺套可以使螺紋的防松性能和強度在溫度變化情況下保持不變；在GE水利發電的水輪機輪轂上安裝耐腐蝕的鋼絲螺套，可以大大延長使用壽命并提高力學性能；在汽車的發動機和需要防振動的部位（如底盤支架等），安裝鋼絲螺套可以提高內螺紋的受力性能并方便維修；在波音747飛機上鋼絲螺套的單臺用量甚至達到25萬個。
1. 鋼絲螺套增強螺紋連接強度的原理
標準的內螺紋存在螺紋加工的角度誤差和牙距為誤差，導致螺栓和基體內螺紋之間的接觸面很小，甚至發生點接觸，從而導致螺栓或基體螺紋的受力不均，降低了螺紋連接的強度和疲勞壽命。圖1右邊為預裝鋼絲螺套的螺紋連接，由于鋼絲螺套精度很高，并且304不銹鋼的材料強度很高，使得基體內螺紋和鋼絲螺套的接觸面積大大增強，同時不容易損壞。另外，鋼絲螺套是一種彈性緊固件，使得基體內螺紋的受力均勻分布，減少應力集中的發生，從而大大提高了螺紋連接的疲勞壽命。
2. 標準內螺紋和預裝鋼絲螺套內螺紋的性能試驗對比
2.1 試驗材料
本試驗采用的鋼絲螺套產品規格為M2.5x5mm，材料為304不銹鋼（美標AS7245），抗拉強度1380~1725MPa，試件的材料為6mm的鋁板，規格型號為6061，技術標準GB/T3880-2006,螺栓規格為M2.5x30，強度等級為8.8級，材質為15B25M。對于每組試件的螺紋底孔分別加工成標準內螺紋和預裝鋼絲螺套的內螺紋，并對這兩種內螺紋分別進行拉力和破壞扭矩試驗。
2.2 試驗過程及試驗結果
2.2.1 抗拉強度試驗
抗拉強度的試驗是在靜載荷下進行的，即拉力逐漸增加，直至試件的內螺紋破壞或者螺栓出現失效形式為止，試驗共進行了10次。
（1） 在標準內螺紋中安裝螺栓并在拉力試驗機上進行拉力試驗，在加載到1380N左右鋁板的內螺紋損壞，有明顯的脫扣和滑牙現象。
（2） 在預裝鋼絲螺套的內螺紋中安裝螺栓并在拉力試驗機上進行抗拉強度試驗，在加載到2200N左右時螺栓發生屈服變形，并發生預縮現象，螺栓產生輕度變形。
試驗結果和詳細數據如下表。
可以看出，標準內螺紋的螺紋連接最大承受拉力為1394N，而預裝鋼絲螺套后螺紋連接最小承受拉力為2100N，說明預裝鋼絲螺套后確實大大提高了螺紋連接的抗拉強度。
2.2.2 破壞扭矩試驗
在破壞扭矩試驗過程中，扭矩逐漸增加，直至試件的內螺紋破壞或者螺栓出現失效形式為止，試驗共進行了10次。詳細的試驗數據見表2。
從表2可以看出，標準內螺紋的螺紋連接最大破壞扭矩為1.23N.m，而預裝鋼絲螺套后螺紋連接最小破壞扭矩為1.73N.m，預裝鋼絲螺套后螺紋連接的破壞扭矩提高40%左右，說明預裝鋼絲螺套確實大大提高了螺紋連接的破壞扭矩。
4 結束語
本文測量了6061鋁板中標準內螺紋M2.5x5mm和預裝鋼絲螺套內螺紋M2.5x5mm的抗拉強度和破壞扭矩，試驗結果表明，預裝鋼絲螺套的內螺紋比標準內螺紋的抗拉強度提高50%左右，破壞扭矩提高40%左右，試驗證明，鋼絲螺套能夠對內螺紋進行有效保護，并大大提高內螺紋的力學性能，對于需要承受扭力的場合，延長了螺紋連接的壽命。